Condizioni ambientali per le le macchine utensili. Ing. Gianfranco Malagola Alesamonti Barasso (VA)

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1 1 Condizioni ambientali per le le macchine utensili Ing. Gianfranco Malagola Alesamonti Barasso (VA)

2 Condizioni ambientali 2 Per garantire le migliori prestazioni della macchina utensile è necessario mantenere le condizioni dell ambiente in cui opera entro i limiti specificati dal costruttore. Per questo motivo il costruttore deve definire con chiarezza gli intervalli di valori ammessi per le diverse condizioni ambientali entro i quali garantisce le prestazioni della macchina utensile. Quando si parla di condizioni ambientali si intendono tutte le possibili grandezze di influenza dell ambiente e quindi: - condizioni di natura termica; - vibrazioni; - alimentazione elettrica; - altre alimentazioni (es. pneumatica). Per ognuna di queste condizione è opportuno che il costruttore della macchina utensile definisca dei limiti ammessi. Tutto questo contrasta vistosamente con le normali condizioni di lavoro in officina ove spesso le condizioni ambientali sono completamente fuori controllo.

3 Condizioni di di natura natura termica 3 In particolare le condizioni ambientali di natura termica influenzano il risultato del collaudo di una macchina utensile così come il risultato di qualsiasi processo di misura. Infatti la ISO 1 prescrive che il risultato della misurazione sia riferito alla temperatura di 20 C. La stessa norma fa notare che non è necessario che tutte le attività siano effettuate alla temperatura di riferimento; ricorda però che nelle misure dimensionali una temperatura di misura diversa dalla temperatura di riferimento può: - condurre alla necessità di correggere il risultato della misurazione; - contribuire ad aumentare l incertezza di misura. non capisco, perché non torna!!! L T =L 20 + L

4 Parametri termici termici dell ambiente 4 I parametri termici, relativi all aria nel volume occupato dalla macchina, che influenzano il comportamento della stessa sono i seguenti: - scostamento della temperatura media dell aria rispetto alla temperatura di riferimento di 20 C; - gradiente termico temporale medio inteso come variazione della temperatura dell aria nell unità di tempo; va considerato riferito all intervallo di tempo in cui avviene la misura o il collaudo; - gradiente termico spaziale medio inteso come variazione della temperatura dell aria nel volume di misura; va considerato riferito agli ingombri della macchina; - umidità relativa; - portata e velocità dell aria aria. Andamento temperatura 20,1 20,1 C 20,0 20,0 19,9 tempo

5 Effetti Effetti dello dello scostamento di di temperatura 5 Una scostamento di temperatura rispetto ai 20 C può avere influenza sul risultato della misurazione a causa della dilatazione o contrazione dei seguenti elementi : -1 le scale di lettura della macchina, che si dilatano e si contraggono con la temperatura in relazione al loro coefficiente di dilatazione termica (CDT); -2 la struttura fisica della macchina, che si adegua alla temperatura dilatandosi o contraendosi in relazione al suo modello termico di deformazione; -3 la dimensione del misurando, che varia con la temperatura in relazione al suo coefficiente di dilatazione termica (CDT) La compensazione termica che in alcuni casi è presente su una macchina, prende in considerazione i punti 1) e 3) ma non interviene quasi mai per il punto 2); quindi la macchina deve essere costruita in modo da ridurre al minimo la variazione degli errori geometrici durante le variazioni della temperatura pur ricordando che tali variazioni comunque esistono; il problema vero per la geometria della macchina sono le disuniformità termiche spaziali ovvero le differenze istantanee tra punto e punto della macchina ricordando che la macchina lavora quasi sempre in transitorio termico. La macchina deve essere quindi costruita per ridurre al minimo queste disuniformità termiche ed i loro effetti.

6 Provvedimenti In ogni caso, in presenza di variazioni termiche la struttura della macchina si deforma. E opportuno quindi, al fine di minimizzare tali deformazioni, adottare ove possibile i seguenti accorgimenti costruttivi: - evitare di fissare od unire materiali aventi diverso CDT (effetto bimetallo); - utilizzare meccanismi o parti che consentono di eliminare l effetto bimetallico come ad esempio interponendo parti in gomma tra coperture e strutture e quindi tra materiali diversi in modo da consentire una differente deformazione termica; - migliorare il metodo di fissaggio delle scale di lettura in modo che esse possano deformarsi liberamente rispetto alla struttura. Nonostante questi accorgimenti esiste sempre l effetto dello zero drift ovvero la deriva del sistema di coordinate pezzo. Per ovviarlo occorre ripetere spesso l individuazione del sistema di riferimento pezzo. 25 C 20 C X m =0 m zero drift Z coordinata X dello zero pezzo a 20 C coordinata X dello zero pezzo a 25 C 6 scala di lettura asse X X m X m Y X p =0 m X p

7 I parametri termici dell ambiente in cui si trova la macchina influenzano il modello cinematico dei 18 errori di una tipica macchina a tre assi. Quindi per un buon collaudo non è solo necessario un basso gradiente termico temporale ovvero una buona stabilità dell ambiente, ma è ancora più necessario un basso gradiente termico spaziale ovvero una buona uniformità termica tra i diversi punti della macchina. Il gradiente termico temporale deve essere commisurato all intervallo di tempo necessario ad eseguire il collaudo mentre il gradiente termico nello spazio deve essere fissato in relazione alle dimensioni della macchina. t 1 = t 2 t 1 > t 2 t t 1 = t 2 t 1 > t 2 1 t 1 t 2 t 2 Parametri termici dell ambiente imbardata Asse Z Asse Y beccheggio Asse X rollio La portata e la velocità dell aria hanno una notevole importanza nei tempi di stabilizzazione dei componenti della macchina. Alte velocità dell aria tendono a ridurre le variazioni di temperatura dei componenti della macchina ma occorre ricordare che i componenti caratterizzati da masse ridotte e quindi basse capacità termiche tenderanno a seguire con eccessiva prontezza le variazioni di temperatura dell aria enfatizzando l effetto di variazioni di temperatura a frequenza elevata. 7

8 Equilibrio termico Nelle misure dimensionali se la temperatura alla quale vengono effettuate le misure coincide con la temperatura di riferimento, la variazione dimensionale rispetto ai 20 C è nulla e quindi non si ha alcuna correzione da apportare al risultato della misura dovuta agli effetti termici. Scala strumento Se T str = T m = 20 C avremo: 8 L s20 = L m20 L s20 T str α str Misurando T m L m20 e cioè la scala dello strumento è a 20 C ed il pezzo è a 20 C; quindi la lettura della scala non deve essere corretta così come non deve essere corretta la lunghezza del pezzo per riferirla a 20 C. α m

9 Misura della lunghezza con T C C Se viceversa la misura dimensionale viene effettuata ad una temperatura diversa dalla temperatura di riferimento, avremo una dilatazione termica del misurando o dello strumento e quindi un effetto dovuto alla variazione termica differenziale tra i due. 9 Scala strumento Misurando Se T str = 20 C ma ad esempio T m =30 C avremo che la scala legge correttamente a 20 C un pezzo che invece si è dilatato ed ha una lunghezza pari a: L s20 =L mt = L m20 +L m20 α m (T m - 20) L s20 T str α str T m α m L mt L s20 = L m20 + L ovvero L m20 = L s20 - L correzione termica Occorre ricordare che anche se L =0 l incertezza associata alla correzione termica deve essere sempre valutata in quanto sempre diversa da zero

10 Misura Misura della della lunghezza con con T C C 10 Scala strumento Se T str T m 20 C avremo due dilatazioni termiche: quella della scala data da: L st = L s20 +L 20 α str (T str - 20) Misurando L e quella del misurando data da: L mt = L m20 +L 20 α m (T m - 20) L st T str α str T m α m L mt ove: L 20 =lunghezza nominale a 20 C Quindi la correzione termica da apportare al valore letto vale: se α str α m L = L 20 [ α str (T str - 20) - α m (T m - 20) ]

11 Semplificazione per uguali CDT 11 La precedente formula di L : Scala strumento Misurando L = L 20 [ α str (T str - 20) - α m (T m - 20) ] quando si verifica la condizione: α str = α m = α e T str α T m α si semplifica in T str T m L = L 20 α (T str - T m )

12 Semplificazione per pari temperatura 12 La precedente formula di L : Scala strumento L = L 20 [ α str (T str - 20) - α m (T m - 20) ] Misurando quando si verifica la condizione: T α str T α m si semplifica in α str α m e T str = T m = T L = L 20 (α str - α m ) (T- 20)

13 Esempio di di parametri termici dalla ISO La ISO Test code for machine tools: determination of thermal effects fornisce dei valori indicativi sulle condizioni ambientali di natura termica che dovrebbero essere specificati dal costruttore. Tali valori sono: variazione della temperatura ambiente entro cui sono garantiti gli errori della macchina gradiente termico temporale per ora gradiente termico temporale su 24 ore gradiente termico spaziale nel volume della macchina variazione di temperatura del refrigerante variazione aria compressa da 15 C a 30 C 1 C 5 C 0,5 C/m da 18 C a 22 C da 18 C a 25 C

14 Caso ideale 14 Se mettiamo la macchina utensile in un ambiente climatizzato realizzato, ad esempio, con un impianto di condizionamento a tutta aria a portata costante, otterremo i migliori risultati. mandata aria di ricircolo C regolatore Unità di trattamento aria batteria riscaldamento attuatore batteria raffreddamento ventilatore aspirazione aria di ricircolo aria di rinnovo ambiente climatizzato

15 Impianti di di climatizzazione Esistono esempi di climatizzazione di ambienti produttivi o di macchine (principio dell allagamento). 15 locale climatizzato Section A-A Section D-D Il vantaggio è quello di avere una temperatura ambiente che varia entro i limiti specificati garantendo i richiesti gradienti termici temporali e spaziali. In relazione al tipo di regolazione adottato dall impianto (on-off o in banda proporzionale) è possibile anche valutare la distribuzione di probabilità della temperatura ambiente e valutare quindi meglio il contributo di incertezza dovuto alla temperatura. cabinet

16 Impianti di di climatizzazione Un altro vantaggio dell impianto di climatizzazione è che, grazie alle grandi inerzie termiche della macchina (costanti di tempo molto lunghe), se le pendolazioni intorno al valore della temperatura di regolazione avvengono con periodi di tempo più brevi delle costanti di tempo della macchina, il loro effetto è praticamente trascurabile. Il grafico illustra l andamento della temperatura di una massa di granito (piano di riscontro) da 3000 kg in un ambiente con la temperatura che oscilla nell intorno di 20 C. 16 temperatura dell aria temperatura del granito tempo in ore

17 Caso reale Nell ambiente di officina gli andamenti della temperatura ambiente sono molto variabili in relazione alle stagioni ed agli impianti di riscaldamento adottati. Occorre però ricordare che non è sufficiente assicurare che la temperatura dell ambiente di lavoro sia mantenuta entro i limiti imposti solamente nel periodo in cui vengono eseguite le misurazioni; occorre ricordare che i materiali hanno un tempo per raggiungere una condizione di equilibri termico e questo vale sia per la struttura della macchina sia per gli strumenti che si utilizzano per le misure dimensionali (memoria termica). Il tempo necessario per raggiungere la condizione di equilibrio termico (tempo di stabilizzazione) è un parametro estremamente difficile da valutare in quanto dipende dal tipo di materiale, dalla massa dell oggetto, dalla sua superficie, dalla forma geometrica e dalle condizioni termiche statiche e dinamiche. Se indichiamo con t la differenza tra la temperatura iniziale del pezzo e la temperatura finale di equilibrio termico e ricordando che il fenomeno della dissipazione termica ha un andamento esponenziale possiamo introdurre il concetto di costante di tempo τ ovvero il tempo necessario affinché si abbia una riduzione del t pari al 63,2%. Dalle tabelle seguenti, dato il materiale del pezzo, la sua massa e la sua forma geometrica, è possibile ricavare in quante ore il suo t si riduce del 63,2% stato iniziale t τ stato finale 17

18 Condizioni ambientali ,00 10,00 τ in ore 1,00 Forma cubica Piastra orizzontale Piastra verticale 0,10 0, massa in kg Stima della costante di tempo τ in funzione della massa di un pezzo in acciaio dolce (grafico tratto da La metrologia dimensionale per l industria meccanica, Malagola, Ponterio - Edizioni Augusta)

19 Conclusioni Le condizioni ambientali di natura termica influenzano il comportamento della macchina ed è quindi necessario tenerne conto. Gli effetti termici che generano deformazioni sulla struttura della macchina non sono solo dovuti alle condizioni ambientali di natura termica ma sono anche dovuti a sorgenti di calore presenti sulla macchina (mandrino, motore mandrino, motori assi, attuatori idraulici, ecc.) ed alle condizioni operative della stessa. Ciò fa in modo che, se non si conosce perfettamente il modello termico della struttura, sia molto difficile valutare gli effetti termici derivanti da tutte le sorgenti presenti sulla macchina. Ma anche se si conoscesse il modello termico della macchina esiste comunque il problema della disuniformità termica istantanea e cioè dei gradienti termici all interno della struttura che deformano la sua geometria. Da qui la semplificazione introdotta dalla ISO di effettuare un test preliminare per valutare lo spostamento relativo tra il mandrino ed il pezzo come risultato della deformazione termica della macchina. Questi problemi potrebbero essere risolti da una nuova generazione di macchine denominate MMT (Measuring Machine Tools) che sono in grado di ricostruire in qualunque momento il modello dei 18 errori della macchina e di tenerne conto in tempo reale durante e dopo i transitori termici. MMT 19